《自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)》第6章 其他傳感器簡(jiǎn)介

第6章其他傳感器簡(jiǎn)介6.1光電式傳感器6.2超聲波傳感器6.3紅外傳感器6.4激光傳感器第6章其他傳感器簡(jiǎn)介在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中，用來(lái)將非電量轉(zhuǎn)換成電量的檢測(cè)方法是很多的，在前幾章中已經(jīng)介紹了許多種常用的傳感器及一些新型傳感器。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)相互滲透，一些技術(shù)逐步應(yīng)用到自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中，如光電傳感器、超聲波傳感器、紅外輻射傳感器、激光傳感器等，而且他們的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，特別是在一些環(huán)境惡劣、要求特殊的場(chǎng)合，這些傳感器就更顯示出他們的優(yōu)越性來(lái)。本章將重點(diǎn)介紹光電、超聲波、紅外輻射、激光等傳感器的工作原理、測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用。返回6.1光電式傳感器光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤(pán)、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器的內(nèi)容極其豐富，在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。6.1.1光電效應(yīng)由光的粒子學(xué)說(shuō)可知，光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個(gè)光子所具有的能量E與其頻率大小成正比。下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器

光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量E的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應(yīng)就是物體吸收了光子的能量E后所產(chǎn)生的電效應(yīng)。通常光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。1.外光電效應(yīng)在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。光是由以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個(gè)光子具有的能量為:E=Hf上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器

根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè):一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子。因此，如果一個(gè)電子要從物體中逸出表面，必須使光子能量E大于表面逸出功A0，這時(shí)逸出表面的電子具有的動(dòng)能Ek為:

Ek=Hf-A0

可知光子能量必須超過(guò)逸出功，才能產(chǎn)生光電子。入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比，光電子逸出物體表面時(shí)具有初始動(dòng)能，因此對(duì)于外光電效應(yīng)器件，即使不加初始陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器2.內(nèi)光電效應(yīng)在光的照射下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為兩類:光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

1）光電導(dǎo)效應(yīng)。光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍人導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增大，從而使電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器

2)光生伏特效應(yīng)。在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)又包括兩種情況。①勢(shì)壘效應(yīng)(結(jié)光電效應(yīng))。接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。②側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管、光電池、半導(dǎo)體光電位置敏感器件(PSD)等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器6.1.2光電元件1.基于外光電效應(yīng)的光電元件光電管有真空光電管(又稱電子光電管)和允氣光電管(又稱離子光電管)兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖6-1所示。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當(dāng)入射光照射在陰極時(shí)，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電子獲得的能量足夠大時(shí)，就有可能克服金屬表面對(duì)電子的束縛(成為逸出功)而逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器在光照頻率高于陰極材料極限頻率的前提下，逸出電子數(shù)決定于光通量，光通量越大，則逸出電子越多。當(dāng)光電管陽(yáng)極與陰極間加適當(dāng)正向電壓(數(shù)十伏)時(shí)，從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的陽(yáng)極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流。光電流正比于光電子數(shù)，而光電子數(shù)又正比于光通量。

由于材料的逸出功不同，所以不同材料的光電陰極對(duì)不同頻率的入射光有不同的靈敏度，人們可根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是可見(jiàn)光或紫外光而選擇不同陰極材料的光電管。光電管的圖形符號(hào)及測(cè)量電路如圖6-2所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器2.基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件1）光敏電阻（1）工作原理。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。如圖6-4在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的殼體里就構(gòu)成了光敏電阻；為了增加靈敏度，兩電極常做成梳妝。光敏電阻具有很高的靈敏度和很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器(2)光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻。光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流。光敏電阻受溫度影響較大，當(dāng)溫度上升時(shí)，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點(diǎn)。亮電流。光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。光電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小，則性能越好。也就是說(shuō)，暗電流越小，光電流越大，光敏電阻的靈敏度就越高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器(3)光敏電阻的基本特性光電特性。在光敏電阻兩極間電壓固定不變時(shí)，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光敏電阻的光電特性。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。伏安特性。光敏電阻兩端所加電壓和流過(guò)光敏電阻的電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。在給定偏壓下，光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)象。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器2)光敏二極管、光敏三極管

(1)光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理。光敏二極管是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，與一般半導(dǎo)體二極管不同之處在于其PN結(jié)裝在透明管殼體的頂部，以便接收光照，它在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，如圖6-5所示。在沒(méi)有光照時(shí)由于二極管反向偏置所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電流。受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)人P區(qū)，從而使通過(guò)PN結(jié)的反向電流大為增加，形成了光電流。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器入射光的照度增強(qiáng)，光產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流相應(yīng)增大，光電流與光照度成正比。

(2)光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理。光敏三極管與一般三極管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是它的發(fā)射極做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。大多數(shù)光敏三極管的基極無(wú)引出線。光線通過(guò)透明窗口落在集電結(jié)上，與光敏二極管相似，入射光在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，電子受集電結(jié)電場(chǎng)的吸引流向集電區(qū)，基區(qū)中留下的空穴構(gòu)成“純正電荷”，使基區(qū)電壓升高，致使電子從發(fā)射區(qū)流向基區(qū)，而這一過(guò)程與普通三極管的放大作用相似。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器3)光電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射在光電池上時(shí)，可以直接輸出電動(dòng)勢(shì)及光電流。通常是在N型襯底上制造一薄層P型區(qū)作為光照靈敏感面。圖6-6是硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖及基本電路。光電池的種類很多，由硅、砷化稼、硒、氧化銅、鍺、硫化鎘光電池等。其中應(yīng)用最廣的是硅光電池，這是因?yàn)樗幸幌盗袃?yōu)點(diǎn):性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射和價(jià)格便宜等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器6.1.3光電耦合器件光電耦合器件是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。光電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光器件通常采用砷化稼發(fā)光二極管，其管芯由一個(gè)PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也增加。光電接收元件可以是光敏二極管，也可以是光敏三極管。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器光電開(kāi)關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開(kāi)”、“關(guān)”信號(hào)的器件。圖6-8為典型的光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖。光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL,MOS等電路容易結(jié)合。光電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全檢測(cè)裝置中，作為光控制和光探測(cè)裝置。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作物體檢測(cè)、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、料位檢測(cè)、尺寸控制、安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器6.1.4光電傳感器的應(yīng)用光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣。因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛，目前越來(lái)越多的用于生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。1.帶材跑偏檢測(cè)器在冷軋帶鋼廠中，帶鋼在某些工藝如連續(xù)酸洗、退火、鍍錫等過(guò)程中易產(chǎn)生走偏，而帶材跑偏檢測(cè)器則可用來(lái)檢測(cè)帶型材料在加工過(guò)程中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器2.光電轉(zhuǎn)速傳感器

圖6-10是光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖6-10(a)是透光式，在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的調(diào)置盤(pán)，在調(diào)置盤(pán)一邊由自熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤(pán)上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，通過(guò)脈沖頻率來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)速。圖6-10(b)是反光式，在待測(cè)轉(zhuǎn)速盤(pán)上固定一個(gè)涂有黑自相間條紋的圓盤(pán)，條紋反射不同的信號(hào)，光敏元件將發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，進(jìn)而根據(jù)脈沖頻率來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.1光電式傳感器3.條形碼掃描器掃描器的前方為光電讀入頭，它一般由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。如圖6-11所示。當(dāng)掃描器在條形碼上時(shí)，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管發(fā)出的光線將被黑線吸收，光接收元件接收不到反射光，呈現(xiàn)高阻抗，處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遇到自色間隔時(shí)，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線被反射到光接收元件，呈低阻抗，接收元件處于導(dǎo)通狀態(tài)。條形碼被掃描后，光接收元件將條形碼轉(zhuǎn)換成了一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、整形后便成了脈沖列，脈沖列經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，完成對(duì)條碼信息的識(shí)讀。上一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器

超聲波是一種頻率高于2*104Hz的機(jī)械波，它具有聚束、定向、反射、透射等特性由于超聲波具有易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，對(duì)色彩、光照度不敏感，反射率高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于無(wú)損探傷，距離測(cè)量、距離開(kāi)關(guān)、汽車倒車防撞、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。6.2.1超聲波的物理基礎(chǔ)1.超聲波的傳播方式超聲波可以以縱波、橫波、表面波三種方式傳播。

下一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器(1)縱波。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，稱為縱波，又稱壓縮波。它能在固體、液體和氣體中傳播。人講話時(shí)產(chǎn)生的聲波就屬于縱波。(2)橫波。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。它是固體介質(zhì)受到交變剪切應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生的剪切形變，所以又稱剪切波。它只能在固體中傳播(3)表面波。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形，其長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑?。上一?yè)下一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器2.超聲波的傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)，也與環(huán)境條件有關(guān)。在液體中，其傳播速度為:

在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系，通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90%，故表面波又稱為慢波，溫度越高，聲速越慢。在氣體和液體中只能傳播縱波，其中氣體中的聲速為344m/s，液體中聲速在900~1900m/s。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器

3.超聲波的指向性超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散，具有一定的指向哇。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強(qiáng)，且隨著擴(kuò)散角度的增大而減小。4.超聲波的反射與折射當(dāng)超聲波以一定的入射角從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的分界面上時(shí)，一部分能量反射回原介質(zhì)，稱為反射波;令一部分能量則透過(guò)分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播稱為折身波或透射波。如圖6-12所示。入射角a與反射角a’以及折射角β之間遵循類似光學(xué)的反射定律和折射定律。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器6.2.2超聲波換能器超聲波換能器有時(shí)也稱為超聲波探頭。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的。若將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波，則為發(fā)射探頭;若將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，則為接收探頭。超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖6-13所示，它主要由壓電晶片、吸收塊、保護(hù)膜、接線片等組成。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器6.2.3超聲波傳感器的應(yīng)用從超聲波的行進(jìn)方向來(lái)看，超聲波傳感器的應(yīng)用有兩種類型。當(dāng)超聲波發(fā)射器與接收器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型。透射型可用于遙控器、防盜報(bào)警器、接近開(kāi)關(guān)等。當(dāng)超聲波發(fā)射器與接收器置于同側(cè)時(shí)為反射型，反射型可用于接近開(kāi)關(guān)、測(cè)距、測(cè)液位或料位、金屬探傷以及測(cè)厚等。

1.超聲波測(cè)液位或料位超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始，到接收換能器接收到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波的功能使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接收各由一個(gè)換能器承擔(dān)。

圖6-14給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。可以看出只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)液位。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器

2.超聲波流量計(jì)超聲波測(cè)量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同的特點(diǎn)，從而求得流體的流速和流量。超聲波流量傳感器的測(cè)定方法是多樣的，如時(shí)間差法、相位差法、頻率差法等。頻率差法測(cè)量流量的原理如圖6-15所示。探頭1、探頭2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。超聲流量計(jì)的最大特點(diǎn)是:探頭可裝在被測(cè)管道的外壁，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，既不干擾流場(chǎng)，又不受流場(chǎng)參數(shù)的影響。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.2超聲波傳感器

3.超聲波探傷超聲波檢測(cè)和探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無(wú)損探傷手段。它既可檢測(cè)材料表面的缺陷，又可檢測(cè)內(nèi)部幾米深的缺陷。其工作原理是超聲波在被檢測(cè)材料中傳播時(shí)，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過(guò)對(duì)超聲波受影響程度和狀況的探測(cè)，來(lái)了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化。超聲波檢測(cè)方法通常有穿透法和脈沖反射法。(1)穿透法探傷。穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來(lái)判斷工件內(nèi)部的情況。(2)反射法探傷。反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來(lái)探測(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。上一頁(yè)返回6.3紅外傳感器紅外輻射傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的器件。在物理學(xué)中，我們知道可見(jiàn)光、不可見(jiàn)光、紅外線及無(wú)線電波等都是電磁波，它們之間的差別只是波長(zhǎng)(頻率)的不同6.3.1紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)

1.紅外輻射的產(chǎn)生紅外輻射是由于固體、液體和氣體內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的，這類振動(dòng)過(guò)程是物體受熱而引起的。只有在絕對(duì)零度時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，所以在絕對(duì)零度時(shí)，沒(méi)有一種物體會(huì)發(fā)射紅外線。在一般常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。下一頁(yè)返回6.3紅外傳感器2.紅外輻射的性質(zhì)紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性質(zhì)，但其特點(diǎn)是熱效應(yīng)為最大。金屬對(duì)紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過(guò)紅外線，多數(shù)的半導(dǎo)體和塑料可以透過(guò)紅外線。液體對(duì)紅外線的吸收較大，氣體對(duì)紅外輻射也有不同程度的吸收。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，如有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會(huì)引起對(duì)紅外線的散射。實(shí)踐證明，溫度越低的物體輻射的紅外線波長(zhǎng)越長(zhǎng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.3紅外傳感器6.3.2紅外輻射探測(cè)器的組成及其分類1.紅外輻射探測(cè)器的組成紅外輻射探測(cè)器即為紅外傳感器，是一種能探測(cè)紅外線的器件。從測(cè)量技術(shù)的角度來(lái)看，能把紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置稱為紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)器是由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調(diào)制器組成。2.紅外輻射探測(cè)器的分類(1)按其工作原理分，紅外輻射探測(cè)器可分為兩類:熱敏探測(cè)器和光電探測(cè)器。(2)按光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)分，可分為兩類:透射式紅外探測(cè)器和反射式紅外探測(cè)器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.3紅外傳感器6.3.3紅外輻射技術(shù)的應(yīng)用紅外輻射技術(shù)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于溫度檢測(cè)、監(jiān)視、計(jì)數(shù)、無(wú)損探傷等方面。1.紅外輻射技術(shù)在溫度檢測(cè)方面的應(yīng)用在鍛造工件自動(dòng)線上，采用紅外輻射測(cè)溫計(jì)，通過(guò)加熱爐口可以直接對(duì)準(zhǔn)工件的表面測(cè)量出工件的溫度。2.紅外輻射技術(shù)在自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)視和計(jì)數(shù)的應(yīng)用由于紅外探測(cè)器能夠探測(cè)紅外輻射源，而任何日標(biāo)都存在紅外輻射源，所以紅外探測(cè)器能夠探測(cè)到任何目標(biāo)的存在。這種功能使它可以用于大量的自動(dòng)檢測(cè)、控制、警戒以及計(jì)數(shù)等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.3紅外傳感器3.紅外無(wú)損探傷利用紅外探測(cè)器檢查加工部件內(nèi)部的缺陷，也是紅外測(cè)溫的一種應(yīng)用。如圖6-21為紅外無(wú)損探傷示意圖。紅外無(wú)損探傷的特點(diǎn)是:加熱和探傷設(shè)備都比較簡(jiǎn)單，能針對(duì)各種特殊需要設(shè)計(jì)出合適的檢測(cè)方案，因此其應(yīng)用范圍比較廣泛，如材料裂縫、孔洞、異物、氣泡、截面變形等各種缺陷的探傷，材料結(jié)構(gòu)的檢查，焊接質(zhì)量的鑒定，電子器件和線路的可靠性檢測(cè)等，都可以用紅外無(wú)損探傷來(lái)檢測(cè)。上一頁(yè)返回6.4激光傳感器激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用于精密計(jì)量、軍事、航空航天、醫(yī)學(xué)、生物、氣象等各個(gè)領(lǐng)域。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。它是將外來(lái)的能量(如電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)換為一定波長(zhǎng)的光，并以光的形式發(fā)射出來(lái)的裝置。6.4.1激光的本質(zhì)原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級(jí)E，狀態(tài)，如果沒(méi)有外界的作用，原子可以長(zhǎng)期保持這個(gè)狀態(tài)。

下一頁(yè)返回6.4激光傳感器當(dāng)原子在得到外界的能量后，將由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，這一過(guò)程叫做原子的激發(fā)。原子處于激發(fā)的時(shí)間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級(jí)上去，同時(shí)輻射光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上去而發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射，如圖6-22為激發(fā)與受激輻射過(guò)程。在進(jìn)行自發(fā)輻射時(shí)，各個(gè)原子的發(fā)光過(guò)程互不相關(guān)。它們輻射光子的傳播方向，以及發(fā)光時(shí)原子由高能級(jí)向哪一個(gè)能級(jí)躍遷等都具有偶然性。因此原子自發(fā)輻射的光是一系列不同頻率的光子的混合。對(duì)于光源的大量原子來(lái)說(shuō)，這些光子的頻率只服從于一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.4激光傳感器6.4.2激光的形成激光是介質(zhì)的粒子(原子或分子)受激輻射產(chǎn)生的，但要獲取激光，必須具備下列條件:1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)當(dāng)介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，其粒子在各能級(jí)上的分布遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在恒定的溫度下，粒子數(shù)按能量的分布用公式可表示為:

要實(shí)現(xiàn)光的放大，必須使N1>N2，這種不平衡狀態(tài)分布叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如圖6-24所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.4激光傳感器

2.激光器的光振蕩放大要想產(chǎn)生激光，單靠外界激發(fā)而得到的初級(jí)受激輻射是不行的，實(shí)際的激光器都是由一個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的粒子系統(tǒng)和一個(gè)光學(xué)共振腔組成的。光學(xué)共振腔由兩端為各種形狀的曲面反射鏡組成，最簡(jiǎn)單的光學(xué)共振腔是兩面相互平行的平面反射鏡，鏡面對(duì)光有很高的反射率，而粒子系統(tǒng)封裝在有兩個(gè)反射鏡的封閉體中。當(dāng)粒子系統(tǒng)產(chǎn)生受激輻射時(shí)，輻射光在兩反射鏡之間作一定次數(shù)的反復(fù)反射，使受激輻射一次又一次地加強(qiáng)，直至獲得單方向的強(qiáng)度非常集中的激光輸出為止。激光在共振腔內(nèi)往返放大的過(guò)程叫做振蕩放大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.4激光傳感器6.4.3激光的特點(diǎn)1.高方向性高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小，所以通常認(rèn)為激光為平行光。2.高亮度激光在單位面積上集中的能量很高，一臺(tái)高水平激光器發(fā)出的激光的亮度比太陽(yáng)發(fā)射的光的亮度高出很多倍，這種高亮度的激光束匯聚后能產(chǎn)生很高的高溫，就連最難熔的金屬，在瞬間就可以熔化。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.4激光傳感器3.單色性好單色光是指譜線寬度很窄的一段光波，譜線寬度越窄，單色性越好。4.高相干性相干性是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。相干性有時(shí)間相干性和空間相干性。時(shí)間相干性是指光源在不同時(shí)刻發(fā)出的光束間的相干性，它與單色性密切相關(guān)，單色性好，相干性就好;空間相干性是指光源處于不同空間位置發(fā)出的光波間的相干性，一個(gè)激光器設(shè)計(jì)的好，則有無(wú)限的空間相干。上一頁(yè)下一頁(yè)返回6.4激光傳感器6.4.4激光器的種類及激光的應(yīng)用1.激光器的種類激光器的種類很多，按其工作的物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體和半導(dǎo)